电路课件：第09章 正弦稳态电路的分析

第第0909章章 正弦正弦稳态电路的分析稳态电路的分析 2. 2. 正弦稳态电路的分析正弦稳态电路的分析3. 3. 正弦稳态电路的功率正弦稳态电路的功率 重点：重点：1. 1. 阻抗和导纳阻抗和导纳9.1 9.1 阻抗和导纳阻抗和导纳1. 1. 阻抗（阻抗（正弦稳态情况下正弦稳态情况下）IZU+- -无源无源线性线性IU+- -ZIUZ| 定义阻抗iuIUZ 阻抗模（阻抗模（单位：单位： ）阻抗角阻抗角欧姆定律的相量形式欧姆定律的相量形式当无源网络内为单个元件时有：当无源网络内为单个元件时有：RIUZ LjXLjIUZ CjXCjIUZ 1IRU+- -Z 可以是实数，也可以是虚数可以是实数，也可以是虚数ICU+- -ILU+- -2. 2. RLC串联电路串联电路由由KVL：. . . . . . . 1jjICILIRUUUUCLR IXXjRICLjRCL)()1(IZIjXR)(LCRuuLuCi+- -+- -+- -+- -uRzZjXRCjLjRIUZ 1. Ij L. ULU. CU. Cj1R+- -+- -+- -+- -RU. Z 复阻抗；复阻抗；R电阻电阻(阻抗的实部阻抗的实部)；X电抗电抗(阻抗的虚部阻抗的虚部)； |Z|复阻抗的模；复阻抗的模； 阻抗角。阻抗角。转换关系：转换关系： arctg | | 22RXXRZ或或R=|Z|cos X=|Z|sin 阻抗三角形阻抗三角形|Z|RX iuIUZ分析分析 R、L、C 串联电路得出：串联电路得出： Z=R+j( L- -1/ C)=|Z| 为复数，故称复阻抗为复数，故称复阻抗（1 1） L 1/ C ，X0， 0，电路为感性，电压领先电流；电路为感性，电压领先电流；相量图：相量图：选电流为参考向量，即选电流为参考向量，即三角形三角形UR 、UX 、U 称为电压三角形，称为电压三角形，它和阻抗三角形相似。即它和阻抗三角形相似。即CUIRULUU UX22XRUUU 0 i . Ij L. UXU. R+- -+- -+- -RU. 等效电路等效电路（2 2） L1/ C， X0， U=5，分电压大于总电压。，分电压大于总电压。ULUCUIRU - -3.4相量图相量图V 4 . 3235. 24 . 3149. 015oo IRURV 4 .8642. 84 . 3149. 0905 .56jooo ILUL V 4 .9395. 34 . 3149. 0905 .26C1jooo IUCV o)4 . 3sin(2235. 2tuRV o)6 .86sin(242. 8tuLV o)4 .93sin(295. 3tuC注注3. 3. 导纳导纳IYU+- -无源无源线性线性IU+- -yYUIY| 定义导纳uiy UIY 导纳模（导纳模（单位：单位：S）导纳角导纳角ZYYZ1 , 1对同一二端网络对同一二端网络:当无源网络内为单个元件时有：当无源网络内为单个元件时有：GRUIY 1LjBLjUIY /1CjBCjUIY IRU+- -ICU+- -ILU+- -Y 可以是实数，也可以是虚数。可以是实数，也可以是虚数。4. RLC并联电路并联电路由由KCL：CLRIIII iLCRuiLiC+- -iL j1jUCULUG )j1j(UCLG )j(UBBGCL )j(UYUBG. Ij L. ULI. CI. Cj1RI. R+- -yYjBGLjCjGUIY 1Y 复导纳；复导纳；G电导电导(导纳的实部导纳的实部)；B 电纳电纳(导纳的虚部导纳的虚部)； |Y|复导纳的模；复导纳的模； y导纳角。导纳角。转换关系：转换关系： arctg | | 22 GBBGYy或或G=|Y|cos yB=|Y|sin y导纳三角形导纳三角形|Y|GB yuiyUIY （1）Y=G+j( C- -1/ L)=|Y| y 数，故称复导纳；数，故称复导纳；（2 2） C 1/ L ，B0， y0，电路为容性，电流超前电压。电路为容性，电流超前电压。相量图：选电压为参考向量，即相量图：选电压为参考向量，即2222)(CLGBGIIIIII UGI. CI. I yLI. 0u分析分析 R、L、C 并联电路得出：并联电路得出：三角形三角形IR 、IB、I 称为电流三角形，它和称为电流三角形，它和导纳三角形相似。即导纳三角形相似。即RLC并联电路同样会出现分电流大于总电流的现象并联电路同样会出现分电流大于总电流的现象IB C1/ L ，B0， y 0，则则 B 0, 电路吸收功率；电路吸收功率；（2）p0, 0 , 感性感性X0, 0，表示网络吸收无功功率；表示网络吸收无功功率；Q L)后，加上电压后，加上电压u，则电压线圈中的电流近似则电压线圈中的电流近似为为i2 u/R。)cos(2 ),cos(2 21tRURuitIii 设设PKUIKIRUKMcoscos 则则指针偏转角度指针偏转角度( (由由M 确定确定) )与与P 成正比，由偏转角成正比，由偏转角( (校校准后准后) )即可测量平均功率即可测量平均功率P。使用功率表应注意：使用功率表应注意：(1) (1) 同名端：在负载同名端：在负载u, , i关联方向下，电流关联方向下，电流i从电流线圈从电流线圈“* *”号端流入，电压号端流入，电压u正端接电压线圈正端接电压线圈“* *”号端，此号端，此时时P表示负载吸收的功率。表示负载吸收的功率。(2)(2) 量程：量程：P 的量程的量程 = U 的量程的量程 I 的量程的量程 cos (表的表的)测量时，测量时，P、U、I 均不能超量程。均不能超量程。例例 三表法测线圈参数。三表法测线圈参数。已知已知 f =50Hz，且测得，且测得U=50V，I =1A，P = 30W。解解RL+_U IZVAW*方法一方法一VAUIS50150 var40 30502222 PSQ 301302IPR 401402IQXLHXLL127. 010040 30130 222IPRRIP方法二方法二 50150| IUZ又又 22)(|LRZ H127. 03144030501|12222 314RZL 方法三方法三 cos UIP 6 . 015030cos UIP 50150| IUZ 300.650cosZ R408 . 050sin|L ZX已知：电动机已知：电动机 PD=1000W，U=220，f =50Hz，C =30 F。 cos= 0.8求负载电路的功率因数求负载电路的功率因数。A68. 58 . 02201000cos DDD UPI+_DCUICIDI例例解解oDD8 .36 ,0.8(cos 感感性性）o0220 U设设08. 2jj0220 , 8 .3668. 5 ooD CIIC oD3 .1673. 433. 1 j54. 4 CIII 96. 0)3 .16(0coscos oo 6. 6. 功率因数提高功率因数提高设备容量设备容量 S ( (额定额定) )向负载送多少有功要由负载的阻抗角决定向负载送多少有功要由负载的阻抗角决定P = UI cos = S cos S75kVA负载负载cos =1, P = S = 75kWcos =0.7, P=0.7 S = 52.5kW一般用户：一般用户： 异步电机异步电机 空载空载 cos =0.20.3 满载满载 cos =0.70.85 日光灯日光灯 cos =0.450.6 (1) (1) 设备不能充分利用，电流到了额定值，但功率容量还有；设备不能充分利用，电流到了额定值，但功率容量还有； 功率因数低带来的问题：功率因数低带来的问题：(2) (2) 当输出相同的有功功率时，线路上电流大，当输出相同的有功功率时，线路上电流大， I=P/(Ucos )，线路压降损耗大。，线路压降损耗大。i+-uZUI 1I 2 cos UIP cos I解决办法：解决办法： （1）高压传输高压传输 （2）改进自身设备改进自身设备 （3 3）并联电容，提高功率因数）并联电容，提高功率因数 U分析分析CIULI 1I 2LRCUILICI+_ 并联电容后，原负载的电压和电流不变，吸收的并联电容后，原负载的电压和电流不变，吸收的有功功率和无功功率不变，即：负载的工作状态不变。有功功率和无功功率不变，即：负载的工作状态不变。但电路的功率因数提高了。但电路的功率因数提高了。特点特点并联电容的确定并联电容的确定21sinsin IIILC 补偿容补偿容量不同量不同全全不要求不要求(电容设备投资增加电容设备投资增加,经济效果不明显经济效果不明显)欠欠过过使功率因数又由高变低使功率因数又由高变低(性质不同性质不同)CIULI 1I 2代入得代入得将将 cos , cos 12 UPIUPIL )tgtg( 21UPCUIC)tgtg(212 UPC并联电容也可以用功率三角形确定并联电容也可以用功率三角形确定 1 2PQCQLQ)tgtg( )tgtg( 212221UPCCUQPQQQCCL从功率这个角度来看从功率这个角度来看 并联电容后，电源向负载输送的有功并联电容后，电源向负载输送的有功UIL cos 1=UI cos 2不变，但是电源向负载输送的无功不变，但是电源向负载输送的无功UIsin 2UILsin 1减少了，减少了，减少的这部分无功就由电容减少的这部分无功就由电容“产生产生”来补偿，使感性负载吸来补偿，使感性负载吸收的无功不变，而功率因数得到改善。收的无功不变，而功率因数得到改善。已知：已知：f =50Hz, U=220V, P=10kW, cos 1= 0.6，要使功率，要使功率因数提高到因数提高到0.9 , 求并联电容求并联电容C，并联前后电路的总电流并联前后电路的总电流各为多大？各为多大？o1113.53 6 . 0cos 例例解解o2284.25 9 . 0cos F 557 )84.25tg13.53tg(2203141010 )tgtg(23212 UPCLRCUILICI+_AUPIIL8 .756 . 02201010cos31 未并电容时：未并电容时：并联电容后：并联电容后：AUPI5 .509 . 02201010cos32 若要使功率因数从若要使功率因数从0.9再提高到再提高到0.95 , , 试问还应增加多少试问还应增加多少并联电容并联电容，此时电路的总电流是多大？此时电路的总电流是多大？o2219.18 95. 0cos 解解o1184.25 9 . 0cos F 103 )8.191tg5.842tg(2203141010 )tgtg(23212 UPCAI8 .4795. 022010103 显然功率因数提高后，线路上总电流减少，但继续提显然功率因数提高后，线路上总电流减少，但继续提高功率因数所需电容很大，增加成本，总电流减小却不明高功率因数所需电容很大，增加成本，总电流减小却不明显。因此一般将功率因数提高到显。因此一般将功率因数提高到0.9即可。即可。（2）能否用串联电容的方法来提高功率因数能否用串联电容的方法来提高功率因数cos ? 思考题思考题（1 1）是否并联电容越大，功率因数越高？）是否并联电容越大，功率因数越高？7. 7. 复功率复功率功功率率”来来计计算算功功率率，引引入入“复复和和为为了了用用相相量量IUVA *单位单位IUS UI负负载载+_定义：定义： jsinjcos )( QPUIUISUIUISiu jXIRIjX)I(RZIIIZIUS2222* 复功率也可表示为：复功率也可表示为： )(*or *2* YUYUUYUUIUS （3 3）复功率满足守恒定理：在正弦稳态下，任一电路的所）复功率满足守恒定理：在正弦稳态下，任一电路的所 有支路吸收的复功率之和为零。即有支路吸收的复功率之和为零。即 00 11bkkbkkQP结论结论 0)j(11 bkkbkkkSQP. , 不不等等于于视视在在功功率率守守恒恒复复功功率率守守恒恒注注：2121SSSUUU （1 1） 是复数，而不是相量，它不对应任意正弦量；是复数，而不是相量，它不对应任意正弦量；S（2 2） 把把P、Q、S联系在一起它的实部是平均功率，虚部联系在一起它的实部是平均功率，虚部 是是 无功功率，模是视在功率；无功功率，模是视在功率；S电路如图，求各支路的复功率。电路如图，求各支路的复功率。V )1 .37(236 010 oo ZU例例 +_U100o A10 j25 5 - -j15 1I2I解一解一)15j5/()2510( jZVA 1424j1882010)1 .37(236 oo 发发SVA 1920j768)25101(236 *2*121 jYUS吸吸VA 3345j1113 *222 YUS吸吸发发吸吸吸吸SSS 21 A)3 .105(77. 815j525j1015j5010 oo1 I解二解二 A5 .3494.14 o12 IIISVA 1923j769)25j10(77. 8 21211 ZIS吸吸VA 3348j1116)15j5(94.14 22222 ZIS吸吸VA 1423j1885 )25j10)(3 .105(77. 810 o*11SIZIS发+_U100o A10 j25 5 - -j15 1I2I9.5 9.5 最大功率传输最大功率传输S UZLZiI+- -Zi= Ri + jXi， ZL= RL + jXL2Li2LiSLiS)()( , XXRRUIZZUI 2Li2Li2SL2L)()( XXRRURIRP 有功功率有功功率负负载载有有源源网网络络等效电路等效电路讨论正弦电流电路中负载获得最大功率讨论正弦电流电路中负载获得最大功率Pmax的条件的条件(1) ZL= RL + jXL可任意改变可任意改变 (a) 先先设设RL不变，不变，XL改变改变显然，当显然，当Xi + XL=0，即，即XL =- -Xi时，时，P 获得最大值获得最大值2Li2SL)(RRURP (b) 再讨论再讨论RL改变时，改变时，P 的最大值的最大值当当 RL= Ri 时，时，P获得最大值获得最大值i2Smax4RUP综合综合(a)、(b)，可得负载上获得最大功率的条件是：，可得负载上获得最大功率的条件是：2Li2Li2SL)()(XXRRURP ZL= Zi*RL= RiXL =- -Xi最佳匹配最佳匹配S UZLZiI+- -(2) 若若ZL= RL + jXL只允许只允许XL改变改变 获得最大功率的条件是：获得最大功率的条件是：Xi + XL=0，即，即 XL =- -Xi 2Li2SLmax)(RRURP 最大功率为最大功率为(3) 若若ZL= RL为纯电阻为纯电阻负载获得的功率为：负载获得的功率为：2i2LiSLiS)( , XRRUIRZUI 电路中的电流为：电路中的电流为：2i2Li2SL)(XRRURP iiiLLZXRRdRdP 22 0 获得最大功率条件：获得最大功率条件：令令模匹配模匹配电路如图，求（电路如图，求（1）RL=5 时其消耗的功率；时其消耗的功率；（2）RL=?能获得最大功率，并求最大功率；能获得最大功率，并求最大功率；（3）在）在RL两端并联一电容，问两端并联一电容，问RL和和C为多大时能与内阻抗为多大时能与内阻抗最佳匹配，并求最大功率。最佳匹配，并求最大功率。AjI)6 .26(89. 0555010 (1) oo 例例 解解 55105010565jjjXRZLi+_U100o V50 H HRL5 I =105rad/sWRIPLL4589. 022 获最大功率获最大功率当当 07. 755 )2(2222 iiLXRRAjI)5 .22(766. 007. 755010 oo WRIPLL15. 407. 7766. 022 +_U100o V50 H HRL5 I =105rad/sCCjRYL 1 (3) 222L)(1)(111 LLLLLLCRCRjCRRCRjRYZ 5)(15)(1 222LLLLCRCRCRR 当当获最大功率获最大功率 110 FCRL AI110010 o WRIPi5512max 电路如图，求电路如图，求ZL=?时能获得最大功率，并求最大功率。时能获得最大功率，并求最大功率。例例 I490o AZLj30 30 - -j30 S UZLZiI+- -解解 4515)30/30(30jjjZi045260)30/30(4 jjUS 4515 *jZZiL当当WP120154)260( 2max 有有